ルール-電気を通す可能性のあるカラフルなシリコン

新たに発見されたシリコンの変種は半導体であり、ミシガン大学の研究者らは、この材料クラスがもっぱら絶縁性であるという仮定を覆すことを発見しました。{0}

「この材料は、新しいタイプのフラット パネル ディスプレイ、フレキシブル太陽光発電、ウェアラブル センサー、さらにはさまざまなパターンや画像を表示できる衣類の可能性を切り開きます」と、材料科学および工学および高分子科学および工学の大学教授であり、最近 Macromolecular Rapid Communications に掲載された研究の責任著者であるリチャード レイン氏は述べています。

シリコーン オイルとゴム-ポリシロキサンとシルセスキオキサン-は伝統的に絶縁材料であり、電気や熱の流れに抵抗します。耐水性の特性により、生物医学機器、シーラント、電子コーティングなどに役立ちます。-

一方、従来の半導体は一般に硬いです。半導体シリコーンには、レイン氏が説明したフレキシブルエレクトロニクスや、さまざまな色のシリコーンを実現できる可能性があります。

分子レベルでは、シリコンはシリコンと酸素原子が交互に並んだ骨格（Si-O-Si）と、シリコンに結合した有機（炭素-ベース）基で構成されています。ポリマー鎖のさまざまな 3D 形成は、架橋として知られる互いに結合する際に発生し、強度や溶解性などの材料の物理的特性を変化させます。-

研究チームは、シリコーンのさまざまな架橋構造を研究しているときに、コポリマーの導電性の可能性を発見しました。コポリマーとは、2 つの異なるタイプの繰り返し単位-ケージ-構造、この場合は直鎖状シリコーンを含むポリマー鎖です。

導電性の可能性は、電子が軌道が重なった Si-O-Si 結合を横切って移動できる方法から生じます。半導体には、電気を通さない基底状態と、電気を通す導通状態という 2 つの主な状態があります。励起状態としても知られる伝導状態は、一部の電子が次の電子軌道に飛び上がるときに発生します。電子軌道は金属などの材料全体で接続されています。

通常、Si-O-Si の結合角ではそのような結合は許容されません。 110 度では、180 度の直線からはかなり離れています。しかし、研究チームが発見したシリコーン共重合体では、これらの結合は基底状態で 140 度で始まり-、励起状態では 150 度まで伸びます。これは、電荷が流れる高速道路を作り出すのに十分でした。

「これにより、これらの共重合体では、Si-O-Si 結合を含む複数の結合を介した電子間の予期せぬ相互作用が可能になります」と Laine 氏は述べています。 「鎖の長さが長ければ長いほど、電子は長距離を移動しやすくなり、光を吸収してより低いエネルギーで放出するのに必要なエネルギーが減少します。」

シリコーンコポリマーの半導体特性により、色のスペクトルも可能になります。電子は、光子または光の粒子を吸収および放出することによって、基底状態と励起状態の間を飛び越えます。発光はコポリマー鎖の長さに依存し、レイン氏のチームはそれを制御できる。鎖の長さが長いほど、ジャンプが小さくなり、エネルギー光子が低くなり、シリコンに赤い色合いが与えられます。鎖が短いほど、電子からのより大きなジャンプが必要となるため、スペクトルの青い端に向かって高エネルギーの光が放射されます。

鎖長と光の吸収および発光との関係を実証するために、研究者らは鎖長の異なる共重合体を分離し、試験管内に長いものから短いものまで並べた。チューブに UV ライトを当てると、それぞれが異なるエネルギーで光を吸収および放出するため、完全な虹が作成されます。

コポリマー鎖の長さに基づいたカラフルな配列は特にユニークです。なぜなら、これまでシリコーンは、その絶縁特性により多くの光を吸収できないため、透明または白色であることしか知られていなかったからです。

「私たちは電気的に不活性だと誰もが考えていた材料に、次世代のソフトでフレキシブルなエレクトロニクスを駆動できる新しい命を与えています。{0}{1}」と材料科学工学の博士課程の学生であり、この研究の筆頭著者である Zijing (Jackie) Zhang 氏は述べています。{0}{1}